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linux内核信号量学习（2.6.23(i386)）

2011-03-21 09:53 260 查看

一、定义：

/linux/include/asm-i386/semaphore.h

  44struct semaphore {
  45        atomic_t count;
  46        int sleepers;
  47        wait_queue_head_t wait;
  48};

二、作用：

Linux中的信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠。这时处理器获得自由去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量

。主要用在linux内核中的同步和互斥。

三、字段详解：

1、atomic_t count;

typedef struct { int counter; } atomic_t;

在此根据count.counter的值不同该字段代表不同的意义：

(1)如果count.counter大于0，则资源是空闲的，该资源现在可以被使用。

(2)如果count.counter等于0，则信号量是忙的，但没有进程等待这个被保护的资源，当前只有该进程在访问被保护的资源。

(3)如果count.counter小于0，则该资源不可用，并且至少有一个进程在等待该资源。

2、int sleepers;

存放一个标志，表示是否有一些进程在信号量上睡眠。在获取信号量操作的时候，使用该字段和count字段来判断信号量的状态和进行不同的操作。

3、wait_queue_head_t;

  50struct __wait_queue_head {
  51        spinlock_t lock;
  52        struct list_head task_list;
  53};
  54typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

task_list字段存放当前等待该信号量的所有进程的链表。如果count.counter大于或等于0，该链表就为空。

四、特点：
信号量的睡眠特性，使得信号量适用于锁会被长时间持有的情况；只能在进程上下文中使用，因为中断上下文中是不能被调度的；另外当代码持有信号量时，不可以再持有自旋锁。

一个任务要想访问共享资源，首先必须得到信号量，获取信号量的操作将把信号量的值减1，若当前信号量的值为负数，表明无法获得信号量，该任务必须挂起在该信号量的等待队列等待该信号量可用；若当前信号量的值为非负数，表示可以获得信号量，因而可以立刻访问被该信号量保护的共享资源。当任务访问完被信号量保护的共享资源后，必须释放信号量，释放信号量通过把信号量的值加1实现，如果信号量的值为非正数，表明有任务等待当前信号量，因此它也唤醒所有等待该信号量的任务。

五、操作：

1、定义及初始化：

(1)

struct semapom sem;

sema_init(&sem,1);

直接定义一个信号量sem，并调用sema_init()对其进行初始化：

  64static inline void sema_init (struct semaphore *sem, int val)
  65{
  66/*
  67 *      *sem = (struct semaphore)__SEMAPHORE_INITIALIZER((*sem),val);
  68 *
  69 * i'd rather use the more flexible initialization above, but sadly
  70 * GCC 2.7.2.3 emits a bogus warning. EGCS doesn't. Oh well.
  71 */
  72        atomic_set(&sem->count, val);
  73        sem->sleepers = 0;
  74        init_waitqueue_head(&sem->wait);
  75}

该函数会将sem->count.counter初始化为val。虽然val可以为任何整数，但通常会取1、0。并置sleepers为0，sem->wait.task_list为空链表。

(2)

srtuct semaphore sem;

init_MUTEX(&sem);

直接定义信号量sem并初始化为互斥信号量。

  77static inline void init_MUTEX (struct semaphore *sem)
  78{
  79        sema_init(sem, 1);
  80}

该函数直接将信号量的count.counter置为1，便是初始化一个用于互斥访问的信号量。也就是说被保护的资源不能同时被多个进程访问，此刻资源是空闲的，那么当有一个进程访问该资源时，也即获得了信号量，当再有进程到来且当前访问资源的进程没有释放信号量时，后来的进程是不能访问该资源的。此刻它被置入信号量的等待进程队列，并进入休眠状态。

(3)

struct semaphore sem;

init_MUTEX_LOCKED(&sem);

直接定义信号量sem并初始化为资源忙状态，用于同步。

  82static inline void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem)
  83{
  84        sema_init(sem, 0);
  85}

也就是说当前该信号量已经被锁定，一个执行单元的继续执行需等待另一执行单元完成，保证执行的先后顺序。例如：

进程A 进程B

struct semaphore sem; ...[CODE 2]...

init_MUTEX_LOCKED(&sem); up(&sem);

...[CODE 1]...

down(&sem);

...[CODE 3]...

如上，进程A先运行，运行到down(&sem);的时候发现信号量为资源忙状态，不能获得，于是被置入信号量的等待队列中。当进程B执行完CODE 2代码段到up(&sem)时，会释放信号量，发现进程A在等待信号量，就将A从等待队列中删除，并唤醒A。这样就保证了代码的执行顺序是CODE 1 → CODE 2 → CODE 3。实现了同步。

(4)

DECLARE_MUTEX(sem);

DECLARE_MUTEX_LOCKED(sem);

  51#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)                                /
  52{                                                                       /
  53        .count          = ATOMIC_INIT(n),                               /
  54        .sleepers       = 0,                                            /
  55        .wait           = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER((name).wait)    /
  56}
  57
  58#define __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,count) /
  59        struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name,count)
  60
  61#define DECLARE_MUTEX(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,1)
  62#define DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,0)

此两个宏都是定义初始化信号量。DECLARE_MUTEX()等同于以上所讲的第二个，DECLARE_MUTEX_LOCKED()等同于以上所讲的第三个。

2、获得信号量：

(1)

  97static inline void down(struct semaphore * sem)
  98{
  99        might_sleep();
 100        __asm__ __volatile__(
 101                "# atomic down operation/n/t"
 102                LOCK_PREFIX "decl %0/n/t"     /* --sem->count */
 103                "jns 2f/n"
 104                "/tlea %0,%%eax/n/t"
 105                "call __down_failed/n"
 106                "2:"
 107                :"+m" (sem->count)
 108                :
 109                :"memory","ax");
 110}
  64void __sched
  65__down_failed(struct semaphore *sem)
  66{
  67        struct task_struct *tsk = current;
  68        DECLARE_WAITQUEUE(wait, tsk);
  69
  70#ifdef CONFIG_DEBUG_SEMAPHORE
  71        printk("%s(%d): down failed(%p)/n",
  72               tsk->comm, tsk->pid, sem);
  73#endif
  74
  75        tsk->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
  76        wmb();
  77        add_wait_queue_exclusive(&sem->wait, &wait);
  78
  79        /*
  80         * Try to get the semaphore.  If the count is > 0, then we've
  81         * got the semaphore; we decrement count and exit the loop.
  82         * If the count is 0 or negative, we set it to -1, indicating
  83         * that we are asleep, and then sleep.
  84         */
  85        while (__sem_update_count(sem, -1) <= 0) {
  86                schedule();
  87                set_task_state(tsk, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
  88        }
  89        remove_wait_queue(&sem->wait, &wait);
  90        tsk->state = TASK_RUNNING;
  91
  92        /*
  93         * If there are any more sleepers, wake one of them up so
  94         * that it can either get the semaphore, or set count to -1
  95         * indicating that there are still processes sleeping.
  96         */
  97        wake_up(&sem->wait);
  98
  99#ifdef CONFIG_DEBUG_SEMAPHORE
 100        printk("%s(%d): down acquired(%p)/n",
 101               tsk->comm, tsk->pid, sem);
 102#endif
 103}

从代码中可知：

如果count.counter为1，则置count.counter为0，直接跳出函数。

如果count.counter为0，count.counter被减为－1，之后执行__down_failed()函数。

__down_failed()函数首先将当前进程设置为不可中断状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE

)然后将其添加进等待进程队列，接下来在whlie循环处试图获得信号量。如果count.counter大于0就获得了信号量，则不进入循环，将当前进程从等待队列中删除，并设置其状态为可运行状态(TASK_RUNNING)，最后唤醒等待该信号量的进程(此处初始count.counter为0，表示没有等待进程，所以此句相当于没有)。否则将count.counter设置为－1，并进入whlie循环，挂起当前进程，随后又恢复，继续测试count.counter字段直到其大于0(即获得信号量)。

如果count.counter为－1，则其被置为－2，之后执行__down_failed()函数。与count.counter等于0不同的是其在获得了信号量之后，由于有等待进程(count.counter=-1)，所以退出时会唤醒等待进程。

由于信号量会导致睡眠，所以不能用在中断上下文。再者使用down()而进入睡眠的进程不能被信号打断。

(2)

 112/*
 113 * Interruptible try to acquire a semaphore.  If we obtained
 114 * it, return zero.  If we were interrupted, returns -EINTR
 115 */
 116static inline int down_interruptible(struct semaphore * sem)
 117{
 118        int result;
 119
 120        might_sleep();
 121        __asm__ __volatile__(
 122                "# atomic interruptible down operation/n/t"
 123                "xorl %0,%0/n/t"
 124                LOCK_PREFIX "decl %1/n/t"     /* --sem->count */
 125                "jns 2f/n/t"
 126                "lea %1,%%eax/n/t"
 127                "call __down_failed_interruptible/n"
 128                "2:"
 129                :"=&a" (result), "+m" (sem->count)
 130                :
 131                :"memory");
 132        return result;
 133}
 105int __sched
 106__down_failed_interruptible(struct semaphore *sem)
 107{
 108        struct task_struct *tsk = current;
 109        DECLARE_WAITQUEUE(wait, tsk);
 110        long ret = 0;
 111
 112#ifdef CONFIG_DEBUG_SEMAPHORE
 113        printk("%s(%d): down failed(%p)/n",
 114               tsk->comm, tsk->pid, sem);
 115#endif
 116
 117        tsk->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
 118        wmb();
 119        add_wait_queue_exclusive(&sem->wait, &wait);
 120
 121        while (__sem_update_count(sem, -1) <= 0) {
 122                if (signal_pending(current)) {
 123                        /*
 124                         * A signal is pending - give up trying.
 125                         * Set sem->count to 0 if it is negative,
 126                         * since we are no longer sleeping.
 127                         */
 128                        __sem_update_count(sem, 0);
 129                        ret = -EINTR;
 130                        break;
 131                }
 132                schedule();
 133                set_task_state(tsk, TASK_INTERRUPTIBLE);
 134        }
 135
 136        remove_wait_queue(&sem->wait, &wait);
 137        tsk->state = TASK_RUNNING;
 138        wake_up(&sem->wait);
 139
 140#ifdef CONFIG_DEBUG_SEMAPHORE
 141        printk("%s(%d): down %s(%p)/n",
 142               current->comm, current->pid,
 143               (ret < 0 ? "interrupted" : "acquired"), sem);
 144#endif
 145        return ret;
 146}

由代码可以看出down_interruptible()和down()不同的是：down_interruptible()有返回值，

在调用__down_failed_interruptible()函数时，while循环中稍有不同。__down_failed_interruptible()在while中时，如果收到TIF_SIGPENDING信号时，会置count.counter为0，跳出循环，可见down_interruptible()是可以被信号打断的，且返回非零(EINIR)。

(3)

 139static inline int down_trylock(struct semaphore * sem)
 140{
 141        int result;
 142
 143        __asm__ __volatile__(
 144                "# atomic interruptible down operation/n/t"
 145                "xorl %0,%0/n/t"
 146                LOCK_PREFIX "decl %1/n/t"     /* --sem->count */
 147                "jns 2f/n/t"
 148                "lea %1,%%eax/n/t"
 149                "call __down_failed_trylock/n/t"
 150                "2:/n"
 151                :"=&a" (result), "+m" (sem->count)
 152                :
 153                :"memory");
 154        return result;
 155}

该函数尝试获得信号量sem，如果能够立即获得，则获得信号量sem并返回0，否则，返回非0。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。

3、释放信号量：

 168static inline void up(struct semaphore * sem)
 169{
 170        __asm__ __volatile__(
 171                "# atomic up operation/n/t"
 172                LOCK_PREFIX "incl %0/n/t"     /* ++sem->count */
 173                "jg 1f/n/t"
 174                "call __up_wakeup/n"
 175                "1:"
 176                :"=m" (sem->count)
 177                :"D" (sem)
 178                :"memory");
 179}
 148void
 149__up_wakeup(struct semaphore *sem)
 150{
 151        /*
 152         * Note that we incremented count in up() before we came here,
 153         * but that was ineffective since the result was <= 0, and
 154         * any negative value of count is equivalent to 0.
 155         * This ends up setting count to 1, unless count is now > 0
 156         * (i.e. because some other cpu has called up() in the meantime),
 157         * in which case we just increment count.
 158         */
 159        __sem_update_count(sem, 1);
 160        wake_up(&sem->wait);
 161}

up()函数首先使count.counter自增，如果其大于0，则，说明其初始值是0，没有等待进程，所以直接跳出。否则调用__up_wake_up()函数将count.counter置为1，再唤醒等待进程。

六、使用实例：

信号量的一般使用形式是：

DECLARE_MUTEX(sem);

down(&sem); //获得信号量

...[CODE]... //临界区(被保护的资源)

up(&sem); //释放信号量

七、信号量与自旋锁的比较：

信号量是进程级别的，用于多个进程之间对资源的互斥，虽然也是在内核中，但是该内核执行路径是以进程的身份，代表进程来竞争资源的。如果竞争失败，就会发生进程上下文切换，当前进程进入睡眠状态，CPU将运行其他进程。鉴于进程上下文切换的开销也很大，因此只有当进程占用资源时间较长时，用信号量才是较好的选择。当所要保护的临界区访问时间比较短时，用自旋锁是非常方便的，因为它节省上下文切换的时间。但是CPU得不到自旋锁会在那里空转知道其他执行单元解锁为止。所以要求锁不能在临界区里常时间停留，否则会降低系统的效率。

自旋锁对信号量
------------------------------------------------------
需求建议的加锁方法

低开销加锁优先使用自旋锁
短期锁定优先使用自旋锁
长期加锁优先使用信号量
中断上下文中加锁使用自旋锁
持有锁是需要睡眠、调度使用信号量

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